通訊熱潮下的超級巨星－砷化鎵

結論

Electronic Trend Publication報告預估全球微波元件市場到2004年市場規模將達51.8億美元，較2000年成長2.4倍，砷化鎵磊晶片更以每年32%以上的速度快速成長，其中HBT晶片由於應用在手機的PA上，目前已是供不應求，在各方資金投入之後，未來成長性更是驚人。以目前台灣發展砷化鎵產業，仍是以上游磊晶製造最具成長潛力，台灣若要在手機代工佔有一席之地，砷化鎵產業的茁壯必是關鍵因素之一。　

一、什麼是砷化鎵？

1.砷化鎵是三五族化合物

砷化鎵屬於化合物半導體，一般二元化合物半導體大約有二十種，包括四四族、三五族、二六族和六四族幾種組合，其中二六族化合物半導體原用為紅外線軍事科技，冷戰結束後才開放，三五族則是應用於衛星、通訊等軍事用途，也是在十年前冷戰結束後才陸續開放給民間作為商業用途。　

表一、週期表中與半導體相關元素

2.與矽的比較

砷化鎵雖然具備高頻特性，但是因為材料成本及量產良率都比不上矽，因此仍有部份廠商積極研發不同製程的矽元件希望取代砷化鎵，其中IBM所研發的矽鍺（SiGe）技術最為可能，但是其崩潰電壓過低造成容易當機以及在量產方面仍有問題待克服。　

表二、砷化鎵（GaAs）與矽(Silicon)元件特性比較

整體而言，砷化鎵較矽元件除了電子遷移速度高，在高頻使用的雜訊低，元件SIZE小，適合用於通訊之外，另外也具備抗輻射性，不易產生信號錯誤情況，故產品穩定度高，特別適用於衛星通訊時暴露於太空中所產生的輻射問題。另外GaAs的操作溫度範圍最高可達攝氏200度，

不易因高頻所產生熱能而影響產品更能與穩定性。而砷化鎵元件另一個優點在於具備光能，因此可應用在汽車方面，可用GaAs磊晶生產高亮度LED做為汽車剎車燈。

3.砷化鎵元件及製程

• 製程：GaAs屬化合物半導體，在化物半導體元件製作上，主要的磊晶長成方式由三種：液相磊晶（LPE）、分子束磊晶（MBE）、有機金屬氣相磊晶（MOCVD）。

1. LPE屬傳統且較簡單的方式，一般應用於發光二極體（LED）的長成上，但對於需要精準參雜濃度甚或較薄磊晶的長成上，LPE則較難掌控。
2. MBE為目前磊晶長成的主流技術，因對參雜濃度能精準掌控，也較能長成極薄的結構，磊晶的平整度較佳。
3. MOCVD則是未來主流技術，月產量為MBE的1.5倍，較具量產能力，部份台灣LED磊晶公司藉此切入手機用HBT磊晶。　

表三、化合物半導體磊晶生成法比較

• 元件：用GaAs生產的微波元件結構主要有三種：MESEFT（金屬半導體場效電晶體）、PHEMT（假型高速電子移動電晶體）、HBT（異質接面雙極電晶體）。

1. HBT：HBT算是GaAs領域較新的技術，本質上屬於用GaAs材料製成的雙載子電晶體，HBT的三極（射極、基極、集極）的排列方式呈垂直排列，通道內的電子流呈垂直方向，也因為其結構上的優勢，造成甚高的功率密度。換言之在同樣的輸出功率下，HBT的die size可以較小，再加上僅需單一電壓來源即可運作（PHEMT、MESEFT都需加上第二個電壓來源），HBT的線性效果佳及功率效益（power efficiency）好的特性，正適合日前講求輕薄短小、待機時間長的行動電話，因此採用HBT製成的行動電話功率放大器（PA）正積極搶占市場。
2. PHEM：儘管在手機PA的應用上，PHEMT的競爭力較HBT遜色，但PHEMT卻有低雜訊的特點，因此在20GHz以上的高頻微波通訊上，PHEMT仍有一定的市場地位。
3. MESEFT：至於MESEFT結構最簡單，成本最低，但是因為只能適用於中低頻，加上必須要雙電源設計，已經逐漸退出市場，Compound Semiconductor預估MESEFT的市佔率將從1999年的40%降到2004年的10%。

目前市場上多用MOCVD技術生產HBT（但也有例外，如RFMD也有部份用MBE作HBT，Kopin則用MOCVD），而MBE則用在MESEFT及PHEMT上，因此也無所謂MBE與MOCVD技術上的差異，反倒是應用上的不同。　

4.砷化鎵的應用

砷化鎵的應用早年主要在於國防太空工業的需求，主要技術掌握在軍方手上，隨冷戰結束及個人通訊的發展迅速，HBT被大量應用在CDMA手機上，主要是之前的Si-BJT（雙極接面電晶體）無法再使用於1900MHz的頻率要求。其他砷化鎵的應用，主要在於高頻微波通訊市場，包括於低雜訊功率放大器(LNA)、高頻功率放大器、微波積體電路(MMIC)、個人通信系統(PCS)、行動電話系統(Cellular Phone)、光纖通信積體電路(OEIC)等等。　

Electronic Trend Publication報告預估全球微波元件市場將以25%的複合成長率快速成長，到2004年市場規模將達51.8億美元，較2000年成長2.4倍，預估砷化鎵元件今年市場佔有率可達62%，較93年的17%成長2.6倍。若由手機RF市場來看，Allied Business Intelligence估計1999年市場規模為17億美元，到2004年時會成長到50億美元，而1999年砷化鎵晶片市佔率為53%，其中一半為HBT，且未來五年砷化鎵將以32%的速度快速成長，2004年市佔率將超過7成。　

圖一、全球微波元件市場預估  單位：百萬美元

圖2-1、手機各系統比重比較圖（1999年4.75億美元）

圖2-2、手機各系統比重比較圖（2004年9.22億美元）

二、台灣的砷化鎵產業

1.砷化鎵的過去－禁錮的寶藏

其實GaAs並非新科技，早在冷戰時期，砷化鎵所生產的晶片就大量運用在衛星通訊、軍事武器等國防工業上，但畢竟應用範圍狹隘、產業封閉，市場侷限，隨著冷戰結束，大量的國防科技釋出民間，找尋商業化的應用，甚至隨著無線通訊應用的普及、行動電話的高度成長，讓以GaAs HBT生產的行動電話用功率放大器（PA）一度缺貨嚴重，部份GaAs晶圓廠擴產不及。

過去由於主要技術掌握在美國軍方手上，台灣雖然希望研發二六族化合物半導體技術，應用在天弓飛彈上，但因美國的技術管制而成效不彰。不過在1990年漢威光電成立，研發二六價技術，但因為冷戰結束，美國開放相關技術，使漢威光電轉投入三五族化合物半導體。

台灣的砷化鎵產業已經初具雛形，當時相關研發人員成為現今台灣砷化鎵產業的主力部隊，產業鏈也逐漸明朗，只要台灣手機產業順利成形，砷化鎵產業也有機會如台灣的晶圓代工一般，在國際佔有一席之地。

GaAs產業結構與矽產業近似，也是從最上游的磊晶長成、晶圓設計，中游的磊晶生產製造、到下游的封裝、測試及系統組裝（就是行動電話組裝），不過由於矽產業發展數十年，已逐漸從早期的垂直整合：即英特爾、IBM等IDM大廠把持IC設計、生產、系統組裝、行銷，發展到幾近高度競爭的水平專業分工的境界：即IC設計由fabless掌理、晶圓專工專司IC生產、也有專業的封裝測試廠，但在GaAs產業，由於剛從國防等工業「解禁」不久，專業水平分工並不明顯，IDM大廠仍在此扮演重要角色。　

2.砷化鎵的現在－狂熱的追逐

國內近年來有許多公司看好砷化鎵前景，積極投入砷化鎵產業，如生產磊晶片的業者博達科技、全新光電、勝陽科技。還有IC設計的和茂、聯邦國際、和康等。生產代工的漢威、宏捷、穩茂等。封裝的菱生、同欣、華泰等。測試的宇通、全球、宏測等，整個砷化鎵產業已經隱然成型。　

三、未來的明星

1.進入的門檻－人才、經驗、客戶

(1)人才：關鍵技術的突破

首先需面對的門檻是產品技術的突破，依目前各廠過去生產學習曲線觀察，從投入產品研發到產品樣品出爐，需耗時至少1?2年，之後還需經客戶的產品認證，一般認證期間約半年至2年不等。除此之外，致力於良率的提升，也要花費不少時間，因此，總計投入到開始量產出貨，期間約需至少1年半以上，先投入量產的廠商，先天上就佔有優勢地位。　

(2)經驗：人才與設備的搭配

砷化鎵生產不比電腦組裝，其生產技術相當高，所有廠商都必須經歷一段很長的學習階段，才有辦法掌握生產技術，提升產品生產良率，人才養成是一個相當關鍵因素。砷化鎵屬於技術密

集產業，而台灣在這方面的人才又少，所以如何掌握並培養人才，對任何廠商都是相當重要的課題，而這也構成一相當高的進入障礙。　

此外，整體設備的搭配也相當重要。因為即使有良好的生產技術，但生產設備基礎建設若不完整，也會拉長生產時間。尤其砷化鎵的應用領域仍有很大的開發空間，因此優良的生產及研發技術，再搭配完整的生產設備基礎建設，才有辦法縮短產品由試產到量產的時程，這也是目前已量產廠商的競爭利基。　

(3)客戶：市場定位的明確

相較矽產業蓬勃發展數十年的「開放」，GaAs仍屬較「封閉」的產業結構，多數的產業力量仍集中在IDM廠， GaAs產業從產品設計到晶圓製程多數仍掌握在Conexant、RF MD、Motorola、Anadigic等IDM大廠手上，因此砷化鎵上游往往需要得到大廠認證，發展空間才會大。

隨著無線通訊產業的高成長，多數IDM大廠可能產能擴充不及，一方面除了自身擴廠以為因應外，尋求outsource也是另一法則，以Conexant為例，因為自身產能擴充不及，故積極扶植位在台灣南科的宏捷，宏捷在自己技術領先及Conexant協助下，已成為台灣首先量產的GaAs foundry。　

2.激烈的戰場－擴廠、擴廠、擴廠

(1)供給：

目前全世界各廠可量產的GaAs機台約有五十部，一部機器一年的最佳產能約一萬片，也就是全球一年約有五十萬片產能，一片磊晶片晶圓可以裁切成1,000顆晶片使用，以良率100％最樂觀估算，一年全球可以產出5億顆磊晶片。

(2)需求：

光以手機的使用來看，一支手機使用1?4顆磊晶片，而2000年手機市場保守預計有3.2億支，加上其他諸如汽車防撞、衛星定位、光纖等等產品用途，即使全球各廠均以全力量產，也無法供應這3億多支行動電話，顯示目前GaAs處於供不應求情況，且矽與砷化鎵磊晶片價差達3至5倍，故手機目前還有60％使用傳統的矽晶片。未來手機市場每年還會繼續成長，因此各廠未來將持續地進行擴廠計畫，今明兩年擴廠幅度都在倍數以上（見表七）。　

3.未來的希望－手機、通訊、光纖

砷化鎵的應用除行動電話外，其適用於高頻傳輸的特性，在無線區域網路、無線本地迴路（Wireless Local Loop）、光纖通訊、衛星通訊、衛星定位、LMDS、汽車導航汽車防撞等應用上，都有GaAs伸展的空間。

1. 行動電話的確是現階段GaAs IC最大的成長動力，根據Compound Semiconductor及Strategies Unlimited等兩家顧問公司的統計，GaAs IC 99年的市場規模約為20億美元，其中約有60%左右的產值是應用在手機RF∕IF晶片上，而GaAs IC的產值在2001年?2003年將成長到30?40億美元左右，CAGR則高達34％。
2. 隨著光纖到家（fiber to the home）的潮流，讓光纖產品除在骨幹網路部份有所施展外，更擴及到最後一英哩（last mile）部份，未來全新將研發VCSEL，具備與光纖耦合性佳的優點，更多光纖通訊的應用正逐步成熟。
3. 另外在汽車防撞雷達方面，根據Compound Semi的估計，其市場將由99年的2億美元成長至2003年的50億美元，CAGR更高達79％左右。
4. 但除了行動電話之外，GaAs IC正隨著國防技術不斷釋出、商業化，尚有一大塊處女地等待積極開發，例如有部份高級車市場正把原本用在夜視作戰的系統移作商業車用，而這些IC也是用GaAs生產，再者用GaAs生產高亮度的LED也可用在高級車的煞車燈上，這些都是GaAs正待耕耘之地。　

表四、HBT競爭產品比較表

表五、砷化鎵（GaAs）V.S.矽（Silicon）產業上下游價值鏈比較

表六、台灣投入砷化鎵磊晶片廠商近況

表七、目前全球主要生產廠一覽表

表八、砷化鎵IC應用市場、使用元件及1999—2003年複合成長率